JPH0717239B2 - 関節形太陽電池を備えた宇宙船とその太陽電池の展開方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、太陽電池を備えた宇宙船に関し、この太陽電
池は宇宙船に対するこの太陽電池の位置を調整するため
の関節機構を備えている。また、本発明はこのような太
陽電池を展開する方法に関する。

［従来の技術］ 従来から、人工衛星等の宇宙船には、関節形の太陽電池
が設けられており、この太陽電池は太陽を追尾し、最大
の電力が得られるように構成されている。一般的には、
これらの太陽電池はジンバル等の関節機構によってその
位置を調整できるように構成され、互いに直交する２軸
まわりに回動できるように構成されている。第１のジン
バルは宇宙船の表面と垂直な軸まわりに回動させるよう
に構成されている。この第１のジンバルは宇宙船が軌道
に沿って飛行するのに対応して太陽を追尾するためのも
のである。この方法の回動は、α方向の追尾と称されて
いる。また、第２のジンバルは、箱１のジンバルと垂直
でかつこの太陽電池の縦軸方向と垂直な軸まわりに回動
させるものである。この第２のジンバルは、宇宙船の軌
道面が季節に対応して変化するのを補償して太陽を追尾
するためのものである。この方向の回動は、β方向の追
尾と称されている。この第１のジンバルは第２のジンバ
ルに対して内側に配置されている。このような宇宙船で
は、太陽電池が展開された状態では上記の第１のジンバ
ルの回動軸は軌道面内には位置しておらず、この軌道面
に対して垂直となっている。また、この宇宙船の縦軸は
地球に対して鉛直の方向に向いている。このような飛行
モードにおいて、上記の第１のジンバルは軌道周期と同
期して回動され、この宇宙船が軌道上を飛行するに対応
して太陽電池が太陽を追尾する。

また、このような関節形の太陽電池は季節に対応して太
陽を完全に追尾することができるが、第１のジンバルが
第２のジンバルの回動に追従して回動すると慣性力を生
じ、宇宙船の姿勢制御に好ましくない影響を与える。こ
のような影響によって、軌道面に対する宇宙船の姿勢が
対応しなくなる。

また、別の不具合としては、この関節形の太陽電池は太
陽を追尾するために、軌道面と垂直な第１のジンバル軸
まわりに回動することにある。このため、この太陽電池
は軌道の１周ごとに２回、飛行方向に対して整列され
（エッジ・オン状態）、空力学的効果によってこの宇宙
船の姿勢制御や軌道維持に好ましくない影響が与えられ
る。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明は以上の事情に基づいてなされたもので、関節形
の太陽電池を備えた宇宙船における上記の不具合を解消
することを目的とするものである。

［問題点を解決するための手段とその作用］ 本発明の宇宙船は、宇宙船本体と、この宇宙船本体から
外側に展開される少なくとも１個の太陽電池と、この太
陽電池を宇宙船本体の直交する３軸まわりにそれぞれ独
立して回動させる関節機構とを備えたものである。

この宇宙船本体は、上記の太陽電池の回動を妨げないよ
うな形状に形成されている。また、この宇宙船本体は太
陽電池を収納できるように構成されている。この宇宙船
本体の内側チヤンバは、略円筒状をなし、この宇宙船本
体に対して偏心して配置されている。また、この内側チ
ャンバの縦軸は宇宙船本体の縦軸と平行に配置されてい
る。

本発明の宇宙船は、宇宙船本体から外側に展開される太
陽電池を備えている。好ましくは、宇宙船本体から反対
方向に突出する２個の太陽電池を備えている。この展開
自在な太陽電池は、コイル状に折畳めるマスト等の展開
自在な支持部材と、この支持部材に支持される折畳み自
在な太陽電池セルと、これらを収納する収納容器とから
構成されている。そして、展開時には、伸長された上記
のマストの縦方向に沿って、太陽電池セルが平板状に展
開される。

また、この太陽電池には、宇宙船本体の互いに直交する
３軸まわりにこの太陽電池を回動させて所定の位置決め
をなす関節機構が設けられている。この関節機構は３個
の回転継手から構成されている。第１の回転継手は、こ
の太陽電池を宇宙船本体の表面と平行な第１の軸まわり
に回動させるように構成されている。また、第２の回転
継手は、上記第１の軸と直交する第２の軸まわりに太陽
電池を回動させるように構成されている。また、第３の
回転継手は、上記第２の軸と直交し、かつこの太陽電池
の縦軸と平行な第３の軸まわりにこの太陽電池を回動さ
せるように構成されている。これらの継手は、宇宙船本
体に対して、第１の回転継手が第２の回転継手より内側
に配置され、また第２の回転継手は第３の回転継手より
内側に配置されている。また、別の実施例では、第２の
回転継手が第１の回転継手より内側に配置され、またこ
の第１の回転継手は第３の回転継手より内側配置されて
いる。これらの実施例では、２個の直交軸が宇宙船本体
の表面と平行に配置され、第１の回転継手の回動軸であ
る第１の軸が、第２の回転継手の回動軸である第２の軸
と直交している。

また、さらに別の実施例では、この太陽電池を宇宙船本
体に対して２軸まわりにそれぞれ独立して回動させる関
節機構を備えている。この関節機構は２個の回転継手を
備え、第１の回転継手は宇宙船本体の表面と平行な第１
軸まわりに太陽電池を回動させるように構成され、また
第２の回転継手は上記第１の軸と直交し、かつ太陽電池
の縦方向と平行な第２の軸まわりにこの太陽電池を回動
させるように構成されている。この実施例では、第１の
回転継手は第２の回転継手の内側に配置されている。こ
れら２個の回転継手で構成された機構は、上記の３個の
回転機構で構成された機構の外側２個の回転継手の部分
に相当する。

さらに、本発明はこの宇宙船の太陽電池を展開する方法
に関する。本発明の方法によれば、この太陽電池は宇宙
船本体内に収納されている状態から展開される。この太
陽電池が収納されている状態では、この太陽電池の収納
容器は、その縦軸が第１の回転継手の第１の軸と平行と
なるように収納されており、上記の支持部材および太陽
電池セルはこの収納容器内に折畳み状態で収納されてい
る。そして、まずこの折畳み状態の太陽電池はその収納
部から第１の回転継手まわりに回動して突出される。

次に、この太陽電池は第２の回転継手まわりに回動して
さらに突出する。

そして、上記の収納容器内から支持部材が展開される。
そして、この支持部材が展開されることによって、太陽
電池セルが展開される。この支持部材が完全に伸長され
ると、太陽電池セルは完全に展開されて平板状となり、
この支持部材の縦方向に沿って支持される。

そして、このように展開された太陽電池は、第３の回転
継手まわりに回動し、太陽の対応した位置に位置決され
る。

本発明の宇宙船は従来の関節形太陽電池を備えた宇宙船
に対して数々の長所を有する。すなわち、第１の回転継
手を設け、宇宙船本体の表面と平行な軸まわりに回動で
きるように構成したことによってこの太陽電池の自由度
が大きくなる。このような回転継手を設けることによ
り、この太陽電池を宇宙船本体内に収納でき、またこの
太陽電池と第２の回転継手を宇宙船本体の外側に突出さ
せることができる。

従来の関節形太陽電池を備えた宇宙船では、この太陽電
池は２軸まわりに回動できなかったので、これら宇宙船
を複数台並列に接続して宇宙プラットホーム等を構成す
るることが困難であった。従来の宇宙船を２台並列に接
続した場合には、これらの太陽電池が互いに機械的に干
渉し、また太陽光を妨げる不具合を生じる。しかし、本
発明のように第１の回転継手を設け、各宇宙船の太陽電
池を第１の軸まわりに回動できるように構成しておけ
ば、隣接する太陽電池をこれら第１の軸まわりに互いに
反対方向に回動させ、これら太陽電池を離間させ、これ
らが互いに機械的に干渉したり、太陽光を遮るのを防止
することができ、複数の宇宙船を並列に接続することが
可能となるものである。

また、この第１の回転継手を設けることによって、国家
宇宙輸送システム（NSTS）すなわちスペースシャトルに
この宇宙船を接続すなわち接舷（ドッキング）させる場
合に有利である。すなわち、この場合には、スペースシ
ャトルに装着されている遠隔マニピュレータ・システム
（RMS）によってこの宇宙船を移動させるが、この場合
に太陽電池を第１の回転継手まわりに回動させ、このRM
Sの移動軌跡から後退させることができる。

また、本発明のものは、第３の回転継手を設けてあり、
この第３の回転継手は第１および第２の回転継手より外
側に配置されているので、これら第１および第２の回転
継手の回動位置に係わりなくこの太陽電池をその縦方向
と平行な軸まわりに回動させることができる。この第３
の回転継手より内側に配置されている第１または第２の
回転継手まわりに回動をさせた場合でも、この太陽電池
の第３の回転継手の回動軸まわりの慣性モーメントには
影響がない。これら内側の回転継手の回動軸まわりに太
陽電池が回動した場合、この太陽電池が第３の回転継手
の回動軸まわりに回動してもわずかな慣性力しか生じな
い。さらに、宇宙船本体の表面と平行な軸まわりに回動
する回転継手をこの宇宙船本体に対して内側に配置した
ので、これ以外の回動軸まわりに太陽電池を回動させる
ことが可能となり、さらにこの回転継手の回動によって
太陽電池を宇宙船本体内に収納し、またこの収納位置か
ら太陽電池を展開させることができる。

［実施例］ 以下、図を参照して本発明の実施例を説明する。第1A図
および第1B図には、本体の宇宙船20を示す。この宇宙船
20は各種の形式のものが適用されるが、この実施例のも
のは工業用または研究用の有人宇宙プラットホームであ
る。この宇宙船の本体21は、２個の円筒状のセクション
22および24から構成され、上方のセクション22は供用モ
ジュールであり、また下方のセクション24は補給モジュ
ールである。この供用モジュール22は飛行計画の達成の
ための機器およびペイロードを収容する。このペイロー
ドとしては、たとえば材料の処理、新規物質の開発、生
命科学の研究等のための装置である。宇宙空間における
電気泳動等（EOS）の材料の処理は、医薬および生物工
学的物質の精製に適用される。また、この他の商業的な
利用としては、医療用の単分散ラテックス球の製造、超
高純度大形半導体結晶の成長、容器を使用しない光学ガ
ラスの処理、重力下では製造できないような新規な合金
やその他の物質の製造等がある。この供用モジュールに
搭載されるこれらペイロードは“工場”の形態をなし、
これらの処理を自動的におこなうことができるように構
成されている。もちろん、この供用モジュール22のペイ
ロードにはこれらの機器に関連した機器、たとえば液体
タンク、ポンプ、電池、動力装置、熱交換器等も含まれ
る。また、上記の補給モジュール24は交換可能なモジュ
ールであって、上記の供用モジュール22およびそのペイ
ロードを維持するためのものである。たとえば、このペ
イロードが電気泳動をおこなう装置の場合には、この補
給モジュール24にはこのEOS材料のタンンク、EOS精製物
のタンク、窒素タンク、その他の配管、冷却装置等この
EOS処理に関連した装置が搭載される。

このような第1Aおよび1B図に示されるような宇宙船20
は、NASAのスペース・シャトル等によって地球の周回軌
道に打上げられる。この供用モジュール22および補給モ
ジュール24はスペース・シャトルの貨物室内に収容でき
るような寸法に形成されており、これらの外壁には掴み
金具26,27が設けられ、スペース・シャトルの遠隔マニ
ピュレータ・システム（RMS）によってこれら掴み金具
を掴み、軌道上に放出したり軌道上から回収したりでき
るように構成されている。この宇宙船20には人間が常駐
することはないが、加圧および生命維持装置が設けられ
ており、スペース・シャトルと接舷した状態で人間が乗
込み、宇宙服なしで作業ができるように構成されてい
る。上記の供用モジュール22の上面30には接舷機構28が
設けられ、これを介してスペース・シャトルの乗員がこ
の宇宙船に乗込めるように構成されている。この接舷機
構28はスペース・シャトルの貨物室に設けられた接舷ア
ダプタに結合するように構成されている。この宇宙船お
よびこれに搭載された材料処理装置は軌道上を飛行しな
がら自動的に作動する。スペース・シャトルが必要に応
じて帰還する際（約３ケ月に１回）には、補給モジュー
ルを新たなものと交換し、またペイロードおよびその必
要な物質を補給し、また生成された材料を回収する。ス
ペース・シャトルが軌道上に打上げられる度に、乗員が
この宇宙船20に乗込むが、基本的には乗員はスペース・
シャトルによって生活する。この宇宙船およびこれに搭
載された材材料処理装置への補給は、スペース・シャト
ルRMSを使用して補給モジュールを取外し、新しい補給
モジュールと交換することによっておこなう。

また、この宇宙船20は、別の供用モジュール22および補
給モジュール24を並列的に連結して拡張することができ
るように構成されている。この作業は、軌道上にある宇
宙船をスペース・シャトルのRMSで回収し、これにスペ
ース・シャトルの貨物室に搭載されている第２の宇宙船
を接続することによっておこなわれる。このように複数
の宇宙船を結合することによって、材料処理の能力を増
加させることができる。これら宇宙船を結合させる場合
には、これらの側面に直径方向に対向して形成された平
面部32,34を互いに連結することにより、これら複数の
宇宙船を並列に結合することができる。この供用モジュ
ールの平面部には接舷機構36,38が設けられている（第1
Aおよび第1B図では接舷機構38は図示されておらず、第3
A図に示されている）。また、補給モジュール24にも同
様に互いに対向する平面部40,42が形成されており、こ
れらは上記の供用モジュール22の平面部32,34と整列さ
れている。なお、このような宇宙船20を複数台接続して
モジュール形宇宙船システムを構成する方法について
は、本願と同日に出願された特許出願，発明者:Maxime
A.Faget,Caldwell C.JohnsonおよびDavid J.Bergeron,
名称「モジュール形宇宙船システムとその組立て方法」
に詳細に説明されている。

また、第1Aおよび第1B図に示すように、供用モジュール
22には関節形の一対の太陽電池44,46が設けられ、この
宇宙船20に必要な電力を供給するように構成されてい
る。この電力は、この供用モジュール22に搭載されたペ
イロードである材料処理装置に使用されるとともに、こ
の宇宙船の誘導、航法、姿勢制御、情報処理、温度制
御、遠隔制御等にも使用される。これらの太陽電池44,4
6は、折畳まれた状態で、この供用モジュール22の上部
に設けられた開放可能な一対のドアの内側に収納されて
おり、このドア48は第1A図に一部が示されている。これ
らの太陽電池44,46はこの供用モジュール22から互いに
反対方向に展開され、複数のジンバル（第3Aおよび3C図
に示す）によってこのモジュールに接続され、互いに直
交する３軸まわりに回動できるように構成されている。
これらの各回動方向は第1A図に矢印45,47,49でそれぞれ
示し、これら各回動方向をそれぞれγ、α、β方向とす
る。これらの各回動方向はそれぞれ2A,2B,2C図に示す。
α方向の回動は第2A図に示し、この方向の回動は宇宙船
本体21の縦軸に垂直な水平軸まわりの回動である。ま
た、β方向の回動は第2B図に示し、この方向の回動は太
陽電池の縦軸まわりの回動である。またγ方向の回動は
第2C図に示し、この方向の回動はこの宇宙船の本体21の
縦方向の軸と平行な鉛直軸まわりの回動である。そし
て、上記の共用モジュール22内に収容されていた太陽電
池44,46はこれらの軸まわりに回転しながら展開され
る。また、この宇宙船が軌道上を地球指向飛行モードで
飛行する場合に、上記のβ方向に回転することによって
この宇宙船軌道上の位置に対応して太陽電池が太陽を追
尾し、さらにこの軌道面の太陽に対する傾きにも対応し
て太陽を追尾する。また、α方向に回動することによっ
て、この太陽電池の太陽の追尾がさらに改善されるが、
この方向の回動はこの太陽電池の最大出力を必要とする
場合以外は使用されない。

上記各太陽電池をγ方向に回動させる第１のジンバル
は、第２および第３のジンバルより内側に設けられてお
り、この第１のジンバルは与圧船体（第1Aおよび第1B図
には図示されていない）に取付けられ、この与圧船体は
供用モジュール22の外側壁内にこれと偏心して設けられ
ている。この第１のジンバルは、与圧船体と外側壁との
間の間隙内に設けられているため、この供用モジュール
22の外側壁には一対の水平方向のスロット50,52が形成
されており、これら太陽電池44,46がγ方向に回動した
場合にこの外側壁と干渉しないように構成されている。
また、α方向の回動をなすための第２のジンバルは、上
記第１のジンバルの外側でかつ第３のジンバルの内側に
配置されている。この第２のジンバルは外側壁の外側に
配置されており、これがα方向に回動してもこの外側壁
とは干渉しないので、この外側壁には鉛直方向のスロッ
トは形成されていない。また、β方向の回動をなす第３
のジンバルは、この太陽電池が展開された場合に上記の
第２のジンバルの外側でかつ当然外側壁の外側に配置さ
れる。これらのジンバルは電気モータよって駆動され、
またこれらを制御するため各ジンバルの回動角度が検出
されるように構成されている。

また、この宇宙船20には、２個の飛行モードで軌道飛行
するためのアクティブおよびパッシブ姿勢制御手段が設
けられている。この実施例では、このアクティブ姿勢制
御手段は一対のダブル・ジンバル形制御モーメント・ジ
ャイロスコープ（第3Aおよび3C図において符号69および
71で示す）を備えており、３軸制御ができるように構成
されている。この制御モーメント・ジャイロスコープ
は、アリゾナ州フェニックスの「Sperry Flight system
sddivision of Sperry Corporation」製の「Model M325
double gimbal units」の製品が使用される。また、別
の形式のアクティブ姿勢制御装置としては、モーメンタ
ム・ホイールと磁気トルカーを使用したものがある。ま
た、パッシブ姿勢制御手段は、延長されたブーム58から
重力傾斜安定装置を備えている。このブーム58はコイル
形のもので、上記の補給モジュール24に設けられてい
る。そして、このブーム58の先端には重り60が取付けら
れ、重力傾斜による安定性を高めるように構成されてい
る。この実施例では、この重力傾斜ブーム58は一杯に延
長された場合の長さが約30.5m（約100フィート）であ
り、また上記のおもり60は90.7kg（200ポンド）の鉛の
円板である。これに比較して、上記の供用モジュール22
と補給モジュール24合計の長さは16.2m（46.5フィー
ト）であり、またこれらの直径は5.05m（14.5フィー
ト）である。また、この供用モジュール22と補給モジュ
ール24の重量の合計は16,344kg（36,000ポンド）であ
る。

また、このアクティブおよびパッシブ姿勢制御手段に加
えて、この宇宙船20の供用モジュール22および補給モジ
ュール24の複数箇所には複数の低温ガス推力装置（図示
せず）が設けられている。この低温ガス推力装置は、軌
道を維持するため、およびこの宇宙船をスペース・シャ
トルまたは他の宇宙船に係留する場合にこの宇宙船を操
縦するために使用される。

上記の重力傾斜ブーム58は上記の補給モジュール24内に
収納されていた状態から伸長され、この伸長および短縮
量は連続的に制御されるように構成されている。このブ
ーム58が伸長された場合には、この宇宙船20は地球指向
飛行モードとる。この姿勢制御は、このブーム58が地球
の方向あるいはその反対の方向を指向した姿勢に制御さ
れるが、通常はこのブームが地球を指向した状態で制御
される。この地球指向飛行モードでは、姿勢が安定さ
れ、アクティブ姿勢制御および軌道維持の制御量が最少
となる。また、このブーム58が完全または一部短縮され
た場合には、この宇宙船は準太陽指向飛行モード（すな
わち同じ側面が常に太陽を指向した飛行モード）とな
り、この場合アクティブ姿勢制御手段が使用される。こ
の飛行モードでは、この宇宙船の軌道上で太陽電池が常
に太陽の方向を向き、このため太陽電池44,46から供用
モジュール22のペイロードである材料処理装置に最大の
電力が供給され、しかもこの場合にはこの太陽電池の制
御量が最少となる。

この準太陽指向飛行モードでは、重力傾斜ブーム588は
部分的に伸長され、この宇宙船の互いに直交する３軸の
うち、軌道面内にある２軸まわりの慣性モーメントが等
しくなる。これによって、この宇宙船は軌道面内で中立
の安定が得られ、アクティブ姿勢制御によって最少の制
御量でこの宇宙船を所定の姿勢に制御できる。このよう
な特徴は、この実施例の宇宙船のように異なる補給モジ
ュール24を装着したり供用モジュール22のペイロードと
して異なる材料処理装置を搭載したりする場合に適す
る。すなわち、この補給モジュール24の寸法や質量が異
なる場合には、この宇宙船の慣性モーメントも変化す
る。また、供用モジュール22内に搭載された材料処理装
置が作動すると流体の移動等が生じる。そして、これに
よってこの宇宙船の質量分布が変化し、この宇宙船の慣
性モーメントが変化する。このような影響は、上記のブ
ーム58を伸縮させ、軌道面内の軸まわりの慣性モーメン
トを等しくするように調整することによって補正でき、
これによってこの宇宙船の安定性を中立に維持すること
ができる。この宇宙船200はその中心線において、上記
の重力傾斜ブーム58が一杯に伸長された状態に対して所
定の割合いで伸長された状態において中立の安定性が得
らるような形態に設計されていることが好ましい。この
ようにすることによって、この宇宙船の質量分布が変化
した場合に、このブームをこの中間の伸長状態から伸縮
（すなわちさらに伸長させるかまたは短縮させるか）さ
せることによって、上記の影響を補償して中立の安定性
を維持することができる。

また、このブーム58を伸縮することによって、この宇宙
船の固有振動数を調整し、振動応答性を小さくしたり大
きくしたりすることができる。また、この宇宙船20は空
力学的なアンバラスその他の原因によってトルクを受け
る。このようなアンバランスは、一般的に軌道の周期に
対応して変化する。このようなアンバランスによるトル
クによってこの宇宙船の固有振動数が影響を受ける。上
記の重力傾斜ブーム58の長さを変えることによってこの
固有振動数を所定の値に調整し、この宇宙船の振動を最
少にすることができる。また、このブーム58の長さを調
整することによって逆にこの振動応答性を所定の状態と
なるように強めることができる。このようにすることに
よって、たとえばこの宇宙船の振動を軌道の周期と対応
させ、太陽電池の太陽の追尾を自動的に行ない、アクテ
イブ姿勢制御の制御量を零または最少にすることができ
る。なお、この重力傾斜ブーム58、地球指向飛行モー
ド、準太陽指向飛行モード等については、本願と同日出
願の特許出願：発明者Caldwell C.Johnson,Maxim A.Fag
et,およびDavid J.Bergeron III、名称：「２個の飛行
モードを選択できる宇宙船およびその姿勢制御方法」に
開示されている。

また、第3A,3B,3C図には上記の供用モジュール22を詳細
に示す。この供用モジュールの外側シェル62は略円筒状
をなし、前述したように平面部32,34を有している。こ
の外側シェル62は熱および流星に対する防御をなし、ま
たこの外側シェルには一体に冷却材流路およびマニホル
ドが設けられ、この供用モジュールおよびこれに搭載さ
れたペイロードで発生する熱を発散させるように構成さ
れている。この外側シェルには規則的に配列された複数
の孔（図示せず）が形成され、スペース・シャトルの乗
員が船外活動（EVA）をする際の各種の補助具をこれら
の孔に取付けることができるように構成されている。ま
た、この外側シェルの外面には複層の断熱材が被覆され
ている。なお、この外側シェルの上および下端面30,4は
熱の放射には使用されず、これらの部分は熱および流星
の遮蔽のみをなす。また、この外側シェル62の内部には
与圧船体66が設けられ、この与圧船体は略円筒状をなし
ている。また、第3C図に示すように、この与圧船体66と
外側シェル62の鉛直すなわち縦方向の軸は互いにずれて
おり、この与圧船体66は外側シェル62に対して偏心して
いる。そして、このような構成によって、この与圧船体
66と外側シェル62との間に外側ペイロード室68が形成さ
れる。この外側ペイロード室68内には太陽電池44,46、
アクティブ姿勢制御に使用される制御モーメント・ジャ
イロスコープ69,71、およびその他の電池、動力装置、
液体タンク、熱交換器等のペイロード関連機器（図示せ
ず）が収容される。また、この外側シェルには上部ドア
48が設けられ、この外側ペイロード室68を開放するよう
に構成され、これを開放して上記の太陽電池44を展開す
る。また、この上部ドア48の下方にはスロット50が形成
され、さらにこの下方には下部ドア51が設けられ、この
ドアによって外側ペイロード室の下部が開放される。こ
れら上部および下部ドアはこの供用モジュール22の反対
側すなわちもうひとつの太陽電池46が収容されている側
にも設けられている。また、上記の内側の与圧船体は、
アルミニウム合金の板、板材を成形したフレーム、補給
部材等を溶接した気密構造のものである。また、この与
圧船体の周囲には複数の空気タンク75が設けられ、これ
らのタンク内の空気は推進およびこの宇宙船内部の与圧
に使用される。また、この与圧船体66の内部には内部構
造部材72が設けられ、この与圧船体のフレームの補強を
なし、さらに上記の外側シェル62との接続をなしてい
る。さらに、上記の内側構造部材72はこの供給モジュー
ル22をスペース・シャトルの貨物室内に固定するための
トラニオン74を支持している。

そして、この供用モジュール22に搭載されるペイロード
としての材料処理装置等はこの与圧船体６内に収容され
る。また、この与圧船体66内に搭載されるペイロードが
前述したEOS装置である場合には、このEOS処理の材料、
生成物、および加圧ガス等のタンクが前記の補給モジュ
ール24内に搭載される。これら供用モジュールと補給モ
ジュールとの間の配管等は分離、接続自在に構成され、
この補給モジュールを交換することができるように構成
されている。また、この与圧船体66の内部には、上記の
ペイロードの他に、床、壁、天井等が設けられ、これら
にはハンドル、足掛け等、乗員の移動および支持のため
の器具が取付けられている。また、この与圧船体66の内
部には、搭載されるペイロードを固定する器具が設けら
れ、さらに、このペイロードの装置の保守、交換等の作
業をなす乗員のためのキャビネット、ロッカー等が設け
られている。

また、この供用モジュール22には表面の接舷機構28,36,
38,76が設けられている。これらの接舷機構は、覗き窓
を有するハッチ蓋77を備えており、この与圧船体66の内
部に連通している。上部の接舷機構28はスペースシャト
ルの貨物室の接舷アダプタと結合するように構成され、
これを介してスペースシャトルの乗員がこの与圧船体66
内に乗込み、ペイロードの装置の保守等をなす。また、
下部の接舷機構76は、第1Aおよび1B図に示すように補給
モジュール24と結合するように構成されている。また、
前記の平面部32,34に設けられた接舷機構36,38はこの供
用モジュール22を他の供用モジュールと並行して結合す
るためのもので、このように複数の供用モジュールを結
合することによってモジュール形の宇宙船を構成するこ
とができる。この与圧船体66は外側シェル62に対して偏
心しているので、一方の接舷機構38は短いトンネル状の
通路79を介して与圧船体66の内部に連通している。ま
た、これら供用モジュール間または供用モジュールと補
給モジュールとの間を連結する配管、電線等の手動の接
続部はこれら接舷機構の通路内に配置されている。

また、この供用モジュール22には一対の掴み金具26（第
3Aおよび3C図にその一方を示す）が設けられており、ス
ペースシャトルのRMSによってこれらを掴んでこの供用
モジュール22をスペースシャトルの貨物室から取出し、
またこの貨物室内に回収して接舷する。れらの掴み金具
は外側シェル62に形成された開口27内に設けられ、取付
け台29に取付けられ、この取付け台は与圧船体66に対す
る断熱をなす。

第3Aないし3C図においては、太陽電池44が収納され、他
の太陽電池46が展開された状態を示す。このような状態
は単に図示のためだけのもので、実際にはこれら両方の
太陽電池は同じ状態（両方とも収納されるか両方とも展
開される）である。この宇宙船20をスペースシャトルの
貨物室内に搭載する場合には、これら太陽電池は与圧船
体と外側シェルとの間の外側ペイロード室68内に収容さ
れている。太陽電池44は、第１すなわち内側のジンバル
80、第２すなわち中央のジンバル82および第３すなわち
外側のジンバル84から構成される一連の連結されたジン
バル機構を介して与圧船体66の一側面に取付けられてい
る。また、他方の太陽電池46も第１すなわち内側のジン
バル86、第２すなわち中央のジンバル88および第３すな
わち外側のジンバル90から構成される一連の連結された
ジンバル機構を介して与圧船体66の反対の側面に取付け
られている。そして、展開時には、これらジンバルが回
動し、太陽電池は回動しながら外側ペイロード室68から
展開される。この展開の際には、収納容器92,94内に収
容されていたコイル状のマスト96,98（第1B図にその全
体を示す）がこの容器内から伸長され、アコーディオン
状に折畳まれていた太陽電池44,46が広げられる。そし
て、この展開された太陽電池44,46は上記のマスト96,98
によって支持され、外側のジンバル84,90の回動によっ
てその縦軸まわりに回動し、太陽を追尾する。また、複
数の供用モジュール22を接続してモジュール形の宇宙船
システムを構成した場合には、上記の内側のジンバル8
0,86が回動することによってこれら太陽電池44,46がこ
の宇宙船の本体21の縦方向の軸と平行な軸まわりに回動
し、隣接する太陽電池との間の間隔を調整する。これら
のジンバル80,82,84および86,88,90は、カナダ国,Ontar
io州,WestonのSpar Aerospace Limited社製の製品「Sol
ar Array Drive And Power Transfer Assembly」（SADA
PAT）として知られている。

また、第４図には、この供用モジュール22に設けられた
太陽電池44の展開および関節構造を示す。なお、他方の
太陽電池46の構成もこれと同様である。これら太陽電池
に設けられているジンバル機構80,82,84および86,88,90
は、カリフォルニア州SunnyvaleのLockheed Missiles a
nd Space CompanyのSpace Systems Divisionの基本的な
設計、LSMC Solar Array Flight Experiment（SAFE）に
開示されている。完全に収納された状態44′では、第４
図に破線で示すように、この供用モジュールの外部ペイ
ロード室68内に収容されている。そして、展開の際に
は、この太陽電池44および収納容器92が内側のジンバル
80のまわりに90゜回動し、第1A図に示すこの外部ペイロ
ード室のドア48を介して突する。そして、この太陽電池
44および収納容器92は第２のジンバル82のまわりに90゜
回転し、この収納容器はこの許容モジュール22に対して
径方向外側を指向する。この状態を第４図で４″で示
す。次に、この太陽電池は収納容器92に対して90゜回動
し、次の工程の展開する方向を指向する。このような回
動はこの太陽電池の展開時のみにおこなわれるもので、
太陽電池の作動時にはこの方向の回動はおこなわれな
い。次に、この収納容器92内にコイル状に収納されてい
るマスト96が伸長し、アコーディオン状に折畳まれてい
る太陽電池をこの供用モジュール22から展開させる。次
に、外側のジンバル84まわりに回動し、第４図に実線で
示すようにこのマストと太陽電池の受光面を上方に面す
るようにする。

また、この太陽電池44が完全に展開した後、さらに中央
のジンバル82まわりに回動して第４図に鎖線で示す位置
44まで回動される。この回動は、スペースシャトルか
らこの宇宙船20が軌道上に放出される際になされる。す
なわち、この場合には、この宇宙船20の供用モジュール
22の上部の接舷機構28がスペースシャトルと接続され、
この接舷された宇宙船20はその補給モジュール側がスペ
ースシャトルから離れた方向を指向する。そして、上記
鎖線で示す状態44では、この太陽電池はは上記の補給
モジュールの方向すなわちスペースシャトルから離れた
方向を指向する。よって、この状態44では、スペース
シャトルのエンジンの影響からこの太陽電池が保護され
る。そして、この宇宙船20がスペースシャトルから完全
に離れた後、この太陽電池はジンバル82のまわりに反対
方向に回動され、正常な作動位置44まで回動する。

この宇宙船20の作動時には、この太陽電池44は外側のジ
ンバル84まわりに周期的に回動し、太陽を追尾する。ま
た、必要な場合には、中央のジンバル82まわりにも回動
し、より完全に太陽を追尾する。この中央のジンバル82
は、上述したように太陽電池が完全に展開した後、これ
を回動させてスペースシャトルとの接舷の際にこの太陽
電池を保護する。また、内側のジンバル80は、補給モジ
ュールを交換する場合にこの太陽電池を回動させる場合
に使用され、さらに複数のモジュールを第５および６図
に示すように連結する場合にこれら太陽電池が干渉しな
いようにする場合に使用される。

第５図には、２台の宇宙船モジュール20,220を連結して
モジュール形宇宙船システム250を構成する場合を示
す。これら２台の宇宙船モジュールは接舷機構36（第1A
および第1B図に示す）によって連結され、並列に接続さ
れている。この場合、偏心して設けられて耐圧船体66は
互いに接近して配置される。また、これらの間の配管、
電線は、この接舷機構内で接続される。そして、これら
宇宙船20,220の太陽電池44,246および46,244は内側のジ
ンバル80まわりに回動して互いに離間するように回動さ
れる。このように回動されることによって、これら太陽
電池が互いに機械的に干渉することが防止されるととも
に、太陽の光を互いに遮らないように配置される。

また、第６図には、３台の宇宙船モジュール20,220,320
を連結してモジュール形宇宙船システム350を構成する
場合を示す。そのうちの２台の宇宙船モジュール20,220
は上記第５図の場合と同様に接続される。第３の宇宙船
モジュール320の接舷機構36は第１の宇宙船モジュール2
0の第２の接舷機構38に接続され、その耐圧船体66はこ
れら宇宙船モジュール20,220の耐圧船体と接続される。
これらの間の配管および電線は、接舷機構内で接続され
る。そして、これらの太陽電池244,346および246,344
は、上記の内側のジンバル80廻りに回動する。なお、こ
れら第２および第３の宇宙船モジュールの太陽電池が互
いに反対方向に回動するので、第１の宇宙船モジュール
20の太陽電池44,46は中心位置に位置するだけでこれら
太陽電池との間が離間される。

上記第５および６図に示すように、２個または３個のモ
ジュールを接続して宇宙船システムを構成することによ
って、その材料処理能力が増大するばかりでなく、太陽
電池の総合出力も増大する。よって、このように複数の
モジュールを連結するだけで、材料処理装置を大規模に
したり小規模にしたりすることができる。なお、このモ
ジュールは６台まで並列に接続しても、太陽電池が互い
に機械的に干渉したり太陽の光を遮ぎったりしないよう
にこれらの間十分に離間させることができる。また、こ
れらのモジュールには、それぞれ独立して作動できる能
力があり、またそれぞれペイロードである装置、太陽電
池、熱放射装置、タンク等が装着されているので、これ
らを結合して複モジュール・システムを構成してもこれ
らの機器の能力に不足を生じることはない。よって、こ
れらモジュールの基本的な設計を変更することなしにこ
れらのモジュール形宇宙船システムの規模を拡大するこ
とができる。また、これらのモジュールをスペースシャ
トルの貨物室内に据付ける機構も共通化でき、複数種類
の宇宙船を使用する場合よりその構造が簡単となる。

また、第７図ないし第11図にはこの太陽電池44の作動を
順を追って示す。なお、他方の太陽電池46の構造および
展開作動はこれと同様であるが、この太陽電池46の構
成、作動は内側の耐圧船体66に対して太陽電池44と鎖対
称である。

第７図では、収納容器92内、そのキャップ106および一
対の延長支持部材110,170が示されている。この収納容
器92内には、マストがコイル状に折畳んだ状態で収納さ
れており、このマストの先端部は上記のキヤップ106に
取付けられている。このキヤップ106はピボット継手172
を介して上記の延長支持部材110に取付けられている。
太陽電池パネルは折畳んだ状態でこれら支持部材110,17
0の間に収納され、支持部材170に取付けられている。ま
た一対のロッキング・プレート102,104が収納容器92お
よび内側の支持部材170に取付けられており、これらの
ロッキング・プレートは太陽電池の展開の際にこれら支
持部材98,170を所定の回動位置に固定する。このような
太陽電池44全体はジンバル80,82,84を介して耐圧船体66
に取付けられている。

そして、この太陽電池を展開するには、まず、第７図に
矢印で示すようにこの太陽電池44を第１のジンバル80の
回動軸まわりに90度回動させる。この回動によって、太
陽電池は外側に回動し、耐圧船体66から離れ、第3Aおよ
び3B図に示す外側ペイロード室68からドア48を介して外
方に突出する。そして、第８図に示すような状態とな
り、この状態では収納容器92および支持部材110,170は
鉛直でありかつ耐圧船体66から離間している。

次に、第８図に示すように、この太陽電池44を第２のジ
ンバル82まわりに矢印の方向に90度回動させる。この回
動によってこの太陽電池44は第９図に示すような状態と
なり、この状態では収納容器92および支持部材110,170
は耐圧船体66から外側方向を向く。そして、この第９図
の矢印で示す方向に、上記の支持部材110が収納容器92
のキヤップ106に対して90度回動する。この回動は上記
のピボット継手172によってなされるが、この太陽電池
が展開された後はこのピボット継手まわりの回動はなさ
れない。そして、第10図に示すように、これら支持部材
110,170が収納容器92の軸方向に対して直交する方向ま
て回動する。この状態では、上記のロッキング・プレー
ト102,104が互いに衝合し、これら支持部材110,170を収
納容器92に対して直交する方向に固定する。

そして、この第10図の左側の矢印に示すように、マスト
106がこの収納容器92から伸長する。このマスト106の伸
長によって、その先端に取付けられているキヤップ106
およびこれにピボット継手172を介して取付けられてい
る支持部材98が移動し、この支持部材110が支持部材170
から離れるに従ってこれらの間に折畳まれていた太陽電
池パネル108がアコーディオン状に展開される。そし
て、このマスト106および太陽電池パネル108が完全に展
開したら、この太陽電池は第３のジンバル84まわりに第
10図の右側の矢印に示す方向に180度回転し、このマス
ト106が太陽光の集光面を構成する太陽電池パネル108の
下方に位置する。そして、前述したように、この太陽電
池は第２のジンバル82のまわりに下方に90度回動され、
この宇宙船20がスペースシャトルから放出される際のこ
の太陽電池の保護をなす。そして、この宇宙船がスペー
スシャトルから十分に離れ、スペースシャトルのエンジ
ンの噴射による損傷の危険が無くなった後に、第11図に
示すようにこの太陽電池は完全に展開された状態に戻さ
れる。

なお、本発明は上記の実施例には限定されない。本発明
は、本発明の技術分野における通常の知識を有するもの
であれば、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各種の変形
が可能である。

【図面の簡単な説明】

第1A図は本発明の宇宙船を上方より見た斜視図、第1B図
は宇宙船を下方より見た斜視図、第2A図は太陽電池のα
方向の回動を示す宇宙船の側面図、第2B図はβ方向の回
動を示す宇宙船の側面図、第2C図はγ方向の回動を示す
宇宙船の平面図、第3A図は供用モジュールの側面図、第
3B図はこの供用モジュールを別の方向から見た側面図、
第3C図は供用モジュールを太陽電池の一部とともに示す
平面図、第４図は太陽電池とその関節機構の斜視図、第
５図は２個の宇宙船モジュールを接続して構成したモジ
ュール形宇宙船システムの斜視図、第６図は３個の宇宙
船モジュールを接続して構成したモジュール形宇宙船シ
ステムの斜視図、第７図ないし第11図は太陽電池の展開
作動を順を追って示す斜視図である。 20……宇宙船、21……宇宙船本体、22……供用モジュー
ル、44,46……太陽電池、66……耐圧船体、80,82,84,8
6,88,90……ジンバル、106……マスト、108……太陽電
池パネル。

フロントページの続き (72)発明者 デビツド・ジエイ・バーゲロン・ザ・サー ド アメリカ合衆国，テキサス州 77058，ヒ ユーストン，カミノ・ビレツジ・ドライ ブ・ナンバー・801 1110 (56)参考文献 特公 平１−24119（ＪＰ，Ｂ２) 米国特許4133501（ＵＳ，Ａ) 米国特許4133502（ＵＳ，Ａ)

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】宇宙船本体と； この宇宙船本体から外側に突出される少なくとも１個の
   太陽電池と； 上記太陽電池を互いに直交する３軸まわりにそれぞれ独
   立して回動させる関節手段とを備え、この関節手段は： 上記太陽電池を上記宇宙船本体の表面に対して一定の方
   向に固定された第１の軸まわりに回動させる第１の動力
   ジンバルと； 上記太陽電池を上記第１の軸と直交する第２の軸まわり
   に回動させる第２の動力ジンバルと； 上記太陽電池を上記第２の軸と直交しかつ太陽電池の縦
   方向の軸と略平行な第３の軸まわりに回動させる第３の
   動力ジンバルとを具備したことを特徴とする関節形太陽
   電池を備えた宇宙船。
2. 【請求項２】宇宙船本体と； この宇宙船本体から外側に突出された少なくとも１個の
   太陽電池と； 上記太陽電池を互いに直交する２軸まわりにそれぞれ独
   立して回動させる関節手段とを備え、この関節手段は： 上記太陽電池を上記宇宙船本体の表面に対して一定の方
   向に固定された第１の軸まわりに回動させる第１の動力
   ジンバルと； 上記太陽電池を上記第１の軸と直交しかつ太陽電池の縦
   方向の軸と略合致する第２の軸まわりに回動させる第２
   の動力ジンバルとを具備し、上記第１の動力ジンバルは
   上記第２の動力ジンバルより内側に配置されていること
   を特徴とする関節形太陽電池を備えた宇宙船。
3. 【請求項３】宇宙船の太陽電池を展開する方法であっ
   て、この宇宙船は： （ａ） 上記太陽電池を収容する室を有する宇宙船本体
   と； （ｂ） 上記宇宙船本体から外側に展開される太陽電池
   とを備え、この太陽電池は： （ｉ） 伸長可能な支持部材を収納した収納容器と； （ii） 折り畳み可能な太陽電池セルとを備え； （ｃ） また上記太陽電池を互いに直交する３軸まわり
   にそれぞれ独立して回動させる関節手段とを備え、この
   関節手段は： （ｉ） 上記太陽電池を上記宇宙船本体の表面と平行な
   第１の軸まわりに回動させる第１の回転継手と； （ii） 上記太陽電池を上記第１の軸と直交する第２の
   軸まわりに回動させる第２の回転継手と； （iii） 上記太陽電池を上記第２の軸と直交しかつ太
   陽電池の縦方向の軸と平行な第３の軸まわりに回動させ
   る第３の回転継手とを具備したものにおいて、 上記の方法は： （Ｉ） 上記室内に収納されている太陽電池を回動させ
   てその収納容器の縦方向の軸を上記第１の回転継手の第
   １の軸と平行にし、この状態では伸長可能な支持部材は
   上記収納容器内に収納され、また上記太陽電池セルは折
   り畳み状態にあり、また上記第１の回転継手の第１の軸
   まわりに回動されることにより上記太陽電池は上記室内
   から突出し； （II） 上記第２の回転継手を第２の軸まわりに回動さ
   せ； （III） 上記収納容器内の伸長可能な支持部材を外側
   に伸長させ、上記太陽電池セルを展開することを特徴と
   する宇宙船の太陽電池の展開方法。